CN103824071A - 带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，包括由金属板阵列组成的多个传感器电极，每个传感器电极分别与各自下层的电容检测电路相连接，在每个传感器电极与手指间铺有绝缘的钝化膜层，在传感器电极上表面和侧面上用所述钝化膜层包裹，然后用由金属线构成的放电层将各传感器电极四周围起来，所述的钝化膜层是将氮氧化硅用PECVD法沉积而形成，同时在钝化膜层上部设置金属线，金属线与传感器电极上下分离且不重叠；并在所述金属线上制作突起形状，产生电场分布的集中部分。本发明的优点是：本发明可以抑制静电对装置内部的电容检测电路等的影响，而且在提高本装置的可靠性的同时，还可以稳定的和高灵敏度的检测到指纹。

Description

带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器

技术领域

本发明涉及一种电容检测型半导体指纹读取传感器，尤其是一种带静电放电保护功能的电容检测型指纹读取传感器。

背景技术

近年，搭载集成电路的IC卡和磁条卡相比，信息容量大，安全性能高等特点而被迅速普及。特别是，通过电磁波接送数据信息的所谓非接触型IC卡被引进到公共交通等系统，大大提高了便利性。

这样的IC卡，尽可能的接近ISO国际规格的尺寸（长度85.6毫米，水平54毫米，厚0.76mm），是方便持有和携带所必须的先决条件。另一方面，作为针对盗窃，伪造等未经授权擅自使用的防御方法，通过指纹认证进行本人确认的功能受到瞩目。指纹认证传感器大小在IC卡的尺寸范围内不仅便于携带，而且能防止未经授权的擅自使用，将来搭载指纹认证传感器的IC卡是个必然趋势。作为能够搭载于IC卡的指纹读取传感器，在半导体基板上装置传感器电极（金属板），再用钝化膜包裹传感器电极，通过钝化膜检测皮肤和传感器间的电容来测出指纹的凹凸，称为静电电容检测型的半导体指纹传感器（以下称FPIC）。使用由LSI制造技术开发出来的单片型的IC芯片的各种半导体指纹传感器当中低耗电率，结构紧凑及元件数量少，使用成本最便宜的方面考虑的话，静电电容检测型指纹传感器是最好的选择。

FPIC在指纹感测区域内一般由金属板的排列阵列组成的多个传感器电极纵横排列，每个传感器电极对应指纹图像采取的最小单位像素。

每个传感器电极分别与各自下层的电容感测电路相连接，当手指接触到FPIC时为了检测出指纹凹凸的电容量，在每个传感器电极与手指间铺了绝缘的钝化膜层。

如上所述FPIC具有的优异的特性，但是，在感测指纹的时候，指端直接接触FPIC表面，积蓄在指端表面的静电电容通过传感器电极放电流向电容检测电路，从而导致传感器装置本身被静电击穿（electrostatic damage，以下称ESD）。

这样的静电放电可以达到约20kV的程度，通过空气放电来进行ESD测试的电子设备已经规范化。对于静电电容检测的FPIC来说，只种ESD保护是商业化必不可少的。

但是，如在IC表面层压了很厚的介电质层的话，介电质层的残留应力会导致晶片扭曲，而无法进行之后的光刻工艺步骤的晶片生产。所以介电质层的厚度，最大只能在3-5微米左右。作为钝化膜层，是用众所周知的聚酰亚胺（介电常数约4.0）层压约3微米的厚度而成，静电的发生源与装置表面越接近，与ESD保护用的接地电极11的ESD保护能力相比，更依存于钝化膜层的绝缘耐力特性，上述的钝化膜层，作为检测静电电容装置ESD的保护能力，可以说很难达到「IEC61000-4-2」的规格。

另一方面，在绝缘层上排列多个传感器电极，其上部和侧面用钝化膜包裹，再在各个传感器电极四周用由金属模块组成的放电壁包围而成的FPIC曾经被提出。这种FPIC，如图1所示，在装置表面围绕传感器电极1呈网格状地设置接地电极11，带有静电的手指接触装置表面时所发生的电流不直接进入装置内部，而是通过柱状的接地电极11从接地线13流入接地侧，这样可以抑制静电对装置内部的静电电容检测电路2等的影响。

但是，这种FPIC在传感器电极1和柱状的接地电极11之间会产生寄生电容Cpx 12。这个寄生电容12和手指表面与传感器电极间产生的电容Cs相并联，寄生电容Cpx加算于Cs被传感器电极检测，其结果使测定电容值的偏移量增大的同时，也使传感器装置的动态范围看上去缩小了，影响应采取的指纹图像底纹（灰度）的信息。

为了减少上述接地电极11的寄生电容，曾提出了用设定为零电位的网格状金属线（对应接地电极11）包围传感器电极1的FPIC的方案。就是说，图1的接地电极11是为了ESD保护而只设置于传感器电极1的上层（d₀的区域）的金属线。

然而，没有人提及覆盖元件的钝化膜层和网格状金属线的厚度与材质，而且如上所述，从厚度为d₀的薄的介电层来看，由于两个金属层（传感器电极和金属网）的高度的差异，不能得到预期的效果。

因此，为使感应电极达到足够的ESD保护效果，不得不选择应力小的介电质的材料来形成非常厚的介电质层。当然，残留应力小的材料，比如考虑到搭载在IC卡表面上的传感器装置时，就不得不考虑到它被划痕，物理冲击等抗外力的强度。

也有人提出，将百分之几的正常的感应像素作为牺牲器件，来接受静电放电，与放置于传感器板同一水平的金属网格相连接再接地的放电通路。这种方法，必然有做出牺牲的ESD像素的存在，从而影响采取指纹图像的质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种静电电容检测型指纹读取传感器，以很厚的介电质层，并在减少接地电极与传感器电极间的寄生电容的同时，使接地电极更易地进行静电放电。

按照本发明提供的技术方案，所述带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器包括：由金属板阵列组成的多个传感器电极，每个传感器电极分别与各自下层的电容检测电路相连接，电容检测电路下部配置硅基板，在每个传感器电极与手指间铺有绝缘的钝化膜层，其特征是：在传感器电极上表面和侧面上用所述钝化膜层包裹，然后用由金属线构成的放电层将各传感器电极四周围起来，所述的钝化膜层是将氮氧化硅用PECVD法沉积而形成，同时在钝化膜层上部设置金属线，金属线与传感器电极上下分离且不重叠。在所述金属线上制作面对面的突起形状，产生电场分布的集中部分。

具体的，在横向延伸的金属线上设置凹部，凹部的形状为：凹部左右两边的金属线形成面对面的突起形状，而左右两边金属线之间以更细的金属丝相连接。

进一步的，在竖向排列的金属线上，邻近传感器电极的部位设置突起形状，相邻两条竖向排列的金属线上的突起形状相对。或者，在竖向排列的金属线上设置与横向的金属线上相同的凹部。

所述金属线构成的放电层与设置传感器电极的区域外的接地线相连接。

本发明的优点是：本发明可以抑制静电对装置内部的电容检测电路等的影响，而且在提高本装置的可靠性的同时，还可以稳定的和高灵敏度的检测到指纹。根据本发明，可以将低功耗低价格的静电电容检测型指纹传感器装载于IC卡等装置上，实现信赖度高安定性高的本人身份认证。

附图说明

图1是传感器电极和接地电极间产生的寄生电容示意图。

图2是本发明的静电电容检测型指纹传感器的表面放大图。

图3是图2的A-A剖面图。

图4是本发明另一实施例的静电电容检测型指纹传感器表面的放大图。 

图5是模拟实验的构成图。

图6是假设静电放电保护金属线被简单的排列设计成网格状时，用等高线表示电场强度分布的模拟结果示意图。

图7是假设静电放电保护金属线被排列设计成形状21，形状30时，用等高线表示电场强度分布的模拟结果示意图。

图8是电场分布的模拟结构比较（单位：V/cm）。

具体实施方式

本发明在绝缘层上阵列式排列多个传感器电极，在每个传感器电极上表面和侧面上用钝化膜包裹，然后用由金属线构成的放电层将各传感器电极四周围起来，上述的钝化膜是将氮氧化硅用PECVD法沉积而形成的厚膜，同时在钝化膜上设置上述放电层。金属线包括一组横向排列的金属线和一组纵向排列的金属线，交叉成网格状。横向和纵向是相对而言，不代表绝对位置。将传感器电极四周围起来的放电层中，在其中一组或两组金属线上制作面对面的突起形状，以产生电场分布的集中部分。

根据本发明的研究，此氮氧化硅具有折射率1.65~1.75﹑介电常数6.4~6.8﹑相当于H8的硬度的特性，将氮氧化硅用PECVD法沉积形成厚的钝化膜层，此钝化膜层的ESD的保护能力，远远超过了通过空气放电的电子装置的ESD规格「IEC61000-4-2」的15KV的性能。

另外，通过在厚钝化膜层上部设置放电层，增大放电层与传感器电极的距离d（本实施例增大到3.75~4.15微米），减少放电层与传感器电极间的寄生电容。

将放电层与传感电极上下分离而且不重叠的设置，从而减少放电层与传感器电极间的寄生电容。

此外，在传感器电极1的周围区域中，通过构成放电层中的电场分布的集中部分来实现最高的电场，以确保引起放电可能性最大的地方，从而在放电层的电场分布集中部诱导放电。在围于传感器电极四周的1或2组金属线上设置凹部，凹部左右两边的金属线形成面对面的突起形状，而左右两边金属线之间以更细的金属丝相连接。在凹部周围的突起由于电场失真，产生集中电场，结果是在每个传感器电极的区域内能带来最高电场，从而确保引起静电放电可能性最高的地方。

另外，对于放电层的电场分布集中部，还可以在围绕传感器电极四周的1组金属线上设置所述凹部，另一组金属线表面设置成突起。这样的构成，面对面排列的金属线表面的突起部分的周围，与以上相同使电场失真，产生集中电场，从而确保引起静电放电可能性最高的地方。

ESD保护用的放电层的终端，包括指纹读取传感器装置外部在内，设置与上述传感器电极的区域外接地相连接，静电放电时，电流流入指纹转感器装置的接地线。

以下，就本发明的半导体指纹传感器的实施方法进行说明。如图2，3所示，钝化膜层4（以下简称IMD层）由氮氧化硅用PECVD法沉积而成的厚膜。在IMD层4的表面上设置用金属线20构成的ESD保护用的网格状放电层。平行的金属线20之间的间距，和传感器电极1相同，配置于接邻的两个传感器电极1之间。金属线20的宽度，必须考虑到使线和传感器电极1之间的寄生电容最小，与传感器电极1不重叠，并且不产生有损电容感度的偏移。

该指纹传感器还具有与手指直接接触的涂层22、层间绝缘膜23，电容检测电路2下部配置硅基板24，所述涂层22（氮氧化硅或氮化硅）覆盖于钝化膜层4表面与手指直接接触，层间绝缘膜23位于硅基板24与钝化膜层4之间。

ESD保护用的金属线20，如图2所示，在横向方向上延伸的金属线上设置凹部，凹部左右两边的金属线20形成面对面的突起形状21。就是说，形状21是左右以钉子尖一样的金属相面对，其尖端以更细的金属丝相连接的构造。

此外，对于金属线20的宽度，为了使线与传感器电极1之间的寄生电容最小，被设置成与传感器电极1不重叠，而且，金属线20之间的间距，与传感器电极1的间距相同。

形状21的电场，如该凹部区域面对面的突起呈现的尖锐弧度，使电场分布集中在尖端并终止。结果就是，尖端产生了在其周边中最高的电场。电场最高的地方，意味着它比周边其他部分更易受到静电气放电的影响。换句话说，传感器1及周边如果产生放电，形状21将被选择为放电位置。

所有的ESD保护用的金属线20的边缘与指纹感测区域的边缘（图中未示出）共同的接地电极相连接，再连接到FPIC装置的基板地面，从而绕过放电电流。

图4是在金属线20形成电场集中部的其他实施例的展示。横方向排列的金属线20上设置如上所述的形状21，竖向排列的金属线20上，邻近传感器电极1的部位的中心部设置突起的形状30，相邻两条竖向排列的金属线20上的突起形状30相对。通过形状30，与形状21同样原理，形状30面对面突起的顶端的尖锐弧度，使电场在尖端集中并终止。结果，在周边之中产生最高电场。更大地起到ESD保护的作用。

通过使用上述发明，在静电电容检测方式的指纹读取传感器FPIC上用包围住传感器电极1的形式，实现了放电时高密度的电场分布。

以下通过在ESD保护的金属线20上设置上述形状21﹑形状30得到的效果，分析电场分布的模拟来进行解析。

此模拟是根据ESD保护实验「IEC61000-4-2」，如图5所示的构成而实施的。先端半球状半径R4为4mm的探头40，在离传感器装置表面5mm处对其加压15KV，如图7所示测算出传感器装置4个观测层面（层）的电场强度（V/cm），进行分析。通过模拟来观测电场分布的第一观测层为涂层22，第二观测层为金属线20放电层，第三观测层为钝化膜层4，第四观测层为层间绝缘膜23层。省略对于构成传感器装置各层要素的参数（厚度﹑介电常数、导电率等）的详细说明。

假设没有设置形状21﹑形状30的简单的网格状的ESD保护用金属线排列，在第二观测层的电场强度分布，用等高线表示的模拟结果如图6所示。

同样，假设设置形状21﹑形状30的ESD保护的金属线排列，第二观测层的电场强度分布，用等高线表示的结果如图7所示。

图6和图7所示的数字，分别表示其周边电场强度分布的最大值。

通过比较两图，可以看出设置传感器电极1的格子中心的电场强度几乎相同，靠近金属线设置的形状21﹑形状30处，数值明显增大。

各观测层与ESD保护有关的位置的电场强度数据归纳于表1。从此表可以看出，相当于钝化层膜4的表面的第二观测层也一样，传感器表面，传感器电极1表面，网格的中央（传感器电极1的中心）的位置，几乎看不到由于设置形状21、形状30产生的影响，而网格的金属线上，电场强度增加约150%，可以看到电场变得致密。

换句话说，可以判断，通过设置形状21和形状30的ESD保护的金属线使ESD保护的效果增加了1.5倍。

Claims (6)

1.带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，包括由金属板阵列组成的多个传感器电极（1），每个传感器电极（1）分别与各自下层的电容检测电路（2）相连接，电容检测电路（2）下部配置硅基板（24），在每个传感器电极（1）与手指间铺有绝缘的钝化膜层（4），其特征是：在传感器电极（1）上表面和侧面上用所述钝化膜层（4）包裹，然后用由金属线（20）构成的放电层将各传感器电极四周围起来，所述的钝化膜层（4）是将氮氧化硅用PECVD法沉积而形成，同时在钝化膜层（4）上部设置金属线（20），金属线（20）与传感器电极（1）上下分离且不重叠。

2.如权利要求1所述带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，其特征是，在所述金属线（20）上制作面对面的突起形状，产生电场分布的集中部分。

3.如权利要求1，2所述带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，其特征是，在横向延伸的金属线（20）上设置凹部，凹部的形状为：凹部左右两边的金属线（20）形成面对面的突起形状，而左右两边金属线（20）之间以更细的金属丝相连接。

4.如权利要求3所述带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，其特征是，在竖向排列的金属线（20）上，邻近传感器电极（1）的部位设置突起形状，相邻两条竖向排列的金属线（20）上的突起形状相对。

5.如权利要求3所述带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，其特征是，在竖向排列的金属线（20）上设置与横向的金属线（20）上相同的凹部。

6.如权利要求1所述带静电放电功能的静电电容检测型指纹读取传感器，其特征是，所述金属线（20）构成的放电层与设置传感器电极（1）的区域外的接地线相连接。

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